Microscopie a scansione di forza di nanostrutture molecolari: morfologia, proprietà, nanofabbricazione

Le microscopie a scansione di sonda (scanning probe microscopies (SPM)) sono basate sull’interazione locale tra una punta (probe) e la superficie del campione di interesse (Wiesendanger R., 1994). La rapida variazione spaziale dell’interazione con la distanza punta-campione conferisce alle SPM la sensibilità alla topografia locale e ne determina l’elevata risoluzione laterale e verticale. La topografia della superficie è l’osservabile principale di ogni esperimento di imaging SPM. Viene acquisita ai nodi di una griglia di scansione registrando lo spostamento verticale punta-campione che serve a mantenere costante l’interazione rispetto ad un valore di riferimento (setpoint). Un attuatore piezoelettrico (scanner) mantiene la punta in prossimità della superficie e permette di effettuare la scansione con la richiesta stabilità, accuratezza e linearità. La scansione nello spazio xyz è generata da un’elettronica di potenza e un circuito di retroazione (feedback) controlla il movimento lungo la direzione z in funzione del valore di setpoint dell’interazione. L’architettura di controllo di un SPM è oggi basata su un’interfaccia digitale/analogico che permette all’utilizzatore di variare i parametri di controllo e visualizzare gli osservabili in tempo reale. Questi fattori rendono gli SPM strumenti utili sia per imaging sia per applicazioni metrologiche. Cambiando la sonda, cambiano l’interazione e il campione può essere mappato in funzione della struttura elettronica, della composizione, della risposta elettrostatica e magnetica, del comportamento viscoelastico e tribologico. Inoltre, il controllo accurato della forza dell’interazione permette di modificare intenzionalmente la superficie su scale confrontabili con quelle caratteristiche dell’interazione in gioco. Ripristinando le condizioni di imaging si può verificare il risultato della modificazione. Il microscopio a scansione di sonda è quindi uno strumento versatile non solo per l’imaging e per effettuare esperimenti locali, ma anche per la manipolazione e la fabbricazione delle superfici e dei materiali. In questo capitolo vogliamo mostrare, con alcuni esempi, come le microscopie a scansione di sonda siano uno strumento indispensabile per la scienza e la tecnologia sulla scala nanometrica. Abbiamo scelto di discutere gli aspetti della microscopia a scansione di forza (SFM) nello studio di film sottili e nanostrutture, con particolare attenzione ai fenomeni di crescita, auto-assemblamento ed auto-organizzazione, passando per la fabbricazione di dispositivi, lo stoccaggio dell’informazione e la nanotribologia. Molti esempi riguardano la materia soffice, in quanto SFM è una delle tecniche più diffuse per studiare la sua organizzazione su scale spaziali diverse, per l’ elevata risoluzione spaziale, e per il fatto che il campione può essere visualizzato nello stato nativo evitandone il danneggiamento.